世界で最も強力なX線レーザーは、前例のない細部で化学反応を「撮影」します。

世界で最も強力なものにアップグレードされたX線レーザーは、9月12日に最初のビームを生成しました。 カリフォルニア州メンロパークに位置するこのレーザーは、最大容量で動作すると毎秒100万個のX線パルスを生成します。 科学者たちはLCLS-IIという装置に亀裂が生じ、化学反応中に原子の周りを回る電荷を含む超高速プロセスの高速映画を作ることができて嬉しく思います。 これらの研究は、光合成の秘密を明らかにし、コンピューティングシステムのための新しい電子材料の開発に役立ちます。

ヨーロッパのX線レーザーが発射される

SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC National Accelerator Laboratory) に保管されている LCLS (Linac Coherent Light Source) に対する 11 億ドル規模のアップグレード作業が 10 年以上にわたって行われてきました。 これにより、機器の繰り返し率（設定された時間に発射されるパルス数）が約8,000倍増加し、レーザーの明るさは平均10,000倍増加しました。 この変化により、化学者と生物学者は、以前は見られなかった鮮明さで分子映画を作成し、他の機器では見られなかった珍しい分子現象の内部を見ることができます。

カリフォルニア州バークレーにあるローレンス・バークレー国立研究所（Lawrence Berkeley National Laboratory）の分子生物物理学者であるJunko Yanoは、「私たちは10年間にわたって準備してきた夢の実験を行うことができるようにLCLS-IIを待っています」と述べました。

LCLSディレクターであるMike Dunne氏は、この施設は量子材料科学を含むさまざまな種類の研究に「全く新しい可能性を開く」と述べた。

超高速科学

現在LCLS-Iと呼ばれる最初のLCLSは2009年に始まり、高エネルギー「硬質」X線の原子探査機能とレーザー速度を組み合わせた世界初の装備となりました。 この装置には、銅パイプを介して電子をすばやく送る3kmの長さの粒子加速器がありました。 その後、電子は２組の磁気アンジュレータのうちの１つにポンピングされ、電子ビームが左右に揺動してＸ線を放出した。 1セットは「硬性」X線を生成し、もう1セットは低エネルギー「延性」X線を生成しました。 カリフォルニア州スタンフォード大学が運営し、米国エネルギー省の資金を受けているSLACがLCLS-Iを構築したとき、科学者たちはそれがうまくいくとは全く確信していないとDunneは言いました。 「未知の世界への飛躍でした」

しかし、それは成功でした。 他の国々もこれに従いました。 韓国、日本、スイス、ドイツでも同様のシステムが構築されています。 2017年にユーザーに公開されたドイツのハンブルク近くの欧州X線自由電子レーザー(XFEL)の科学責任者であるサクラ・パスカレリ(Sakura Pascarelli)は、「原子分解能を備えた超高速科学」を遂行することは革命だったと述べています。

LCLS-Iへのアップグレードは、電子加速器の銅パイプの一部を極低温冷却ニオブキャビティに置き換えた。 この物質は約2ケルビンの温度に達すると超伝導性であるため、ほぼゼロに近い抵抗で電子を連続的に伝導することができます。 これはLCLS-IIがより速いX線パルス速度を達成するのに役立ちます。 現在の機器の過冷却部分では、軟X線のみが生成されます。

LCLS-IIはもともと2020年に発売される予定でしたが、コロナ19大流行を含む様々な要因によってその時刻表が修正されたとダンは言いました。 「これはまったく新しい技術です」と彼は付け加えました。 超伝導共同が作られたイリノイ州から全国に超伝導共同を運ぶ方法を研究するにも時間がかかりました。

競争から飛躍する

化学者と生物学者は期待を持ってアップグレードを見ました。 ヤノは、LCLS-Iと日本のX線自由電子レーザーを用いて、原子レベルで光界IIと呼ばれるタンパク質複合体が光合成中に水を分解して酸素を生成する方法を明らかにしました。 彼女と彼女の共同研究者たちは、複合体の主要な金属原子クラスターを見つけ、酸素を放出する前に4つのエネルギー状態を移動しながらその構造を追跡しました。 彼らは結果を次のように説明した。 自然 今年¹。

しかし、矢野はさらに進みたいです。 「構造を知ることは一つのことです」と彼女は言います。 「我々はまた、金属周辺の電荷がどのように分布しているかを知りたい」 それだけでなく、複合体の周りを回る電子の「スピン」がどのように変化するかを知りたいです。 これは、チームが光合成がどのように起こるかを理解するのに役立ち、例えば太陽燃料生産システムでプロセスの驚くべき効率を模倣する研究者に役立ちます。 この実験には非常に速い軟X線パルスが必要なので、LCLS-IIがこれを行うことができる唯一の施設だとYanoは言います。 彼女のチームは、機器の使用時間を要請する提案を提出した。

X線科学：大銃

Dunneは、LCLS-IIのX線パルスも非常に興味深いと言います。 なぜなら、その強力な力は科学者がより希釈された化学物質と生体分子のサンプルを扱うことができるからです。 それは、光化学を勉強している大学院生がそれを研究するのに十分な新しい分子を合成するために数年間の努力を惜しまないでしょう。 これにより、化学者はより現実的な条件下で反応速度を向上させるために微量で使用される有望な触媒を研究することができます。

SLACチームは、すでにハードX線ビームをメガヘルツのパルス速度で引き上げるための次の一連のアップグレードを計画しています。 現在ヨーロッパのXFELは、毎秒27,000パルスを生成する最速のハードX線源です。 中国上海に建設中の別のX線レーザーは、早ければ2025年に始まるときに競争を提供することができます。 このレーザーの目的は、毎秒100万個のX線パルスを生成することです。

Dunneは、「私は私たちが遅れると確信しています」と言います。 一般的に、ある施設がしばらくの間記録を維持し、他の施設がアップグレードされ、より強力になるまでPascarelliは言います。 「私たちはお互いを押しています。」

現在、SLACチームは、長年の仕事を祝い、研究開発のためにLCLS-IIを使用するように求めている世界中の科学者の提案を評価しています。